微处理器中低功耗直接存储器访问模块的设计

摘要

直接存储器访问(Direct Memory Access，DMA)是所有现代微处理器(Microcontroller Unit，MCU)的重要模块。DMA支持不同传输速度的硬件装置之间的交互，而此交互不必依赖于CPU(Central Processing Unit)的中断负载进行。否则，CPU将需要从来源把每一个运行程序的资料和数据拷贝到缓存器中，然后再把它们写回到一个新的目的地址中，在这段时间内，CPU将无法正常进行其他的工作，采用DMA来进行数据传输，可以减少CPU的工作量，提高微处理器的系统效率。　　本文设计了一种具有较强数据搬运功能的DMA，每个通道最多一次可支持216个数据传输；支持数据的位宽不对等传输，源地址数据和目的地址数据均可配置成8bits、16bits、32bits；通道优先级包括固有优先级和软件配置优先级，固有优先级从通道1到通道7逐渐递增，软件可配置优先级多达四种：低，中，高，非常高；数据搬运方向包括三种：存储器到存储器、存储器到外设、外设到存储器。并在DMA的设计完成后，对DMA进行功耗上的改进，引入时钟门控技术，在很大程度上降低了DMA在数据传输过程中所需要产生的功耗。　　应用Keil微控制器开发套件编写测试程序，对模块进行了设计功能验证。并在VCS上完成仿真验证，确认了DMA模块各种模式下的数据搬运无误。应用synopsys公司的PrimeTime软件进行了功耗分析，将DMA模块在有无引入时钟门控的区别下，对搬运同一批数据时所产生的功耗进行对比。结果显示，引入时钟门控技术的DMA动态功耗下降了31.9%。对提高MCU的系统效率以及降低MCU的功耗都具有比较重要的意义。

目录

声明

第1章绪论

1.1 论文研究的背景

1.2 DMA 技术的发展历程和趋势

1.3 选题来源及研究内容和意义

1.4 论文的主要章节安排

第2章 DMA模块设计的基础

2.1 DMA 技术的介绍

2.1.1 DMA的技术原理

2.2.2 DMA的功能设计指标

2.2 DMA应用环境的介绍

2.2.1 微处理器的功能结构

2.2.2 AMBA总线协议

2.3 Keil 微控制器开发套件的简介

2.3.1 Keil 微控制器开发套件的概述

2.3.2 Keil 软件功能环境

2.3.3 Keil 微控制器开发套件环境下的工程开发

2.4 本章小结

第3章 DMA模块的总体设计

3.1 DMA 层的功能结构及其框架

3.1.1 DMA的主要功能

3.1.2 DMA在MCU中的结构框图

3.1.2 DMA通道的传输

3.2 DMA 模块的寄存器设计

3.2.1 DMA 的中断状态寄存器

3.2.2 DMA 的中断标志清除寄存器

3.2.3 DMA 的通道配置寄存器

3.2.4 DMA 的通道数据数量寄存器

3.2.5 DMA 的外设地址寄存器

3.2.6 DMA 的存储器地址寄存器

3.2.7 DMA 的通道选择映射寄存器

3.3 本章小结

第4章 DMA中各功能模块及低功耗设计

4.1 DMA的功能模块结构

4.1 .1 DMA控制模块

4.1.2 DMA数据读写模块

4.1.3 DMA寄存器配置模块

4.1.4 DMA通道请求映射模块

4.1.5 DMA仲裁器模块

4.1.6 DMA传输状态模块

4.2 基于时钟门控的 DMA 低功耗设计

4.2.1时钟门控技术

4.2.2 DMA的低功耗设计

4.3本章小结

第5章 DMA模块的功能验证及功耗分析

5.1 DMA 模块的各个功能验证

5.1.1 DMA的数据搬运功能验证

5.1.2 循环模式以及地址增长模式验证

5.1.3 DMA的通道优先级验证

5.1.4 位宽不对等传输功能的验证

5.2 DMA 传输的功耗分析

5.3 本章小结

第6章总结与展望

1. 总结

2. 展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间取得的研究成果